容器三把斧之 | cgroup原理与实现
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2021-08-10 14:18
前面我们介绍了 CGroup
的使用与基本概念,接下来将通过分析源码(本文使用的 Linux2.6.25 版本)来介绍 CGroup
的实现原理。在分析源码前,我们先介绍几个重要的数据结构,因为 CGroup
就是通过这几个数据结构来控制进程组对各种资源的使用。
cgroup
结构体
前面介绍过,cgroup
是用来控制进程组对各种资源的使用,而在内核中,cgroup
是通过 cgroup
结构体来描述的,我们来看看其定义:
struct cgroup {
unsigned long flags; /* "unsigned long" so bitops work */
atomic_t count;
struct list_head sibling; /* my parent's children */
struct list_head children; /* my children */
struct cgroup *parent; /* my parent */
struct dentry *dentry; /* cgroup fs entry */
struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];
struct cgroupfs_root *root;
struct cgroup *top_cgroup;
struct list_head css_sets;
struct list_head release_list;
};
下面我们来介绍一下 cgroup
结构体各个字段的用途:
flags
: 用于标识当前cgroup
的状态。count
: 引用计数器,表示有多少个进程在使用这个cgroup
。sibling、children、parent
: 由于cgroup
是通过层级
来进行管理的,这三个字段就把同一个层级
的所有cgroup
连接成一棵树。parent
指向当前cgroup
的父节点,sibling
连接着所有兄弟节点,而children
连接着当前cgroup
的所有子节点。dentry
: 由于cgroup
是通过虚拟文件系统
来进行管理的,在介绍cgroup
使用时说过,可以把cgroup
当成是层级
中的一个目录,所以dentry
字段就是用来描述这个目录的。subsys
: 前面说过,子系统
能够附加到层级
,而附加到层级
的子系统
都有其限制进程组使用资源的算法和统计数据。所以subsys
字段就是提供给各个子系统
存放其限制进程组使用资源的统计数据。我们可以看到subsys
字段是一个数组,而数组中的每一个元素都代表了一个子系统
相关的统计数据。从实现来看,cgroup
只是把多个进程组织成控制进程组,而真正限制资源使用的是各个子系统
。root
: 用于保存层级
的一些数据,比如:层级
的根节点,附加到层级
的子系统
列表(因为一个层级
可以附加多个子系统
),还有这个层级
有多少个cgroup
节点等。top_cgroup
:层级
的根节点(根cgroup)。
我们通过下面图片来描述 层级
中各个 cgroup
组成的树状关系:
cgroup_subsys_state
结构体
每个 子系统
都有属于自己的资源控制统计信息结构,而且每个 cgroup
都绑定一个这样的结构,这种资源控制统计信息结构就是通过 cgroup_subsys_state
结构体实现的,其定义如下:
struct cgroup_subsys_state {
struct cgroup *cgroup;
atomic_t refcnt;
unsigned long flags;
};
下面介绍一下 cgroup_subsys_state
结构各个字段的作用:
cgroup
: 指向了这个资源控制统计信息所属的cgroup
。refcnt
: 引用计数器。flags
: 标志位,如果这个资源控制统计信息所属的cgroup
是层级
的根节点,那么就会将这个标志位设置为CSS_ROOT
表示属于根节点。
从 cgroup_subsys_state
结构的定义看不到各个 子系统
相关的资源控制统计信息,这是因为 cgroup_subsys_state
结构并不是真实的资源控制统计信息结构,比如 内存子系统
真正的资源控制统计信息结构是 mem_cgroup
,那么怎样通过这个 cgroup_subsys_state
结构去找到对应的 mem_cgroup
结构呢?我们来看看 mem_cgroup
结构的定义:
struct mem_cgroup {
struct cgroup_subsys_state css; // 注意这里
struct res_counter res;
struct mem_cgroup_lru_info info;
int prev_priority;
struct mem_cgroup_stat stat;
};
从 mem_cgroup
结构的定义可以发现,mem_cgroup
结构的第一个字段就是一个 cgroup_subsys_state
结构。下面的图片展示了他们之间的关系:
从上图可以看出,mem_cgroup
结构包含了 cgroup_subsys_state
结构,内存子系统
对外暴露出 mem_cgroup
结构的 cgroup_subsys_state
部分(即返回 cgroup_subsys_state
结构的指针),而其余部分由 内存子系统
自己维护和使用。
由于 cgroup_subsys_state
部分在 mem_cgroup
结构的首部,所以要将 cgroup_subsys_state
结构转换成 mem_cgroup
结构,只需要通过指针类型转换即可。
cgroup
结构与 cgroup_subsys_state
结构之间的关系如下图:
css_set
结构体
由于一个进程可以同时添加到不同的 cgroup
中(前提是这些 cgroup
属于不同的 层级
)进行资源控制,而这些 cgroup
附加了不同的资源控制 子系统
。所以需要使用一个结构把这些 子系统
的资源控制统计信息收集起来,方便进程通过 子系统ID
快速查找到对应的 子系统
资源控制统计信息,而 css_set
结构体就是用来做这件事情。css_set
结构体定义如下:
struct css_set {
struct kref ref;
struct list_head list;
struct list_head tasks;
struct list_head cg_links;
struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];
};
下面介绍一下 css_set
结构体各个字段的作用:
ref
: 引用计数器,用于计算有多少个进程在使用此css_set
。list
: 用于连接所有css_set
。tasks
: 由于可能存在多个进程同时受到相同的cgroup
控制,所以用此字段把所有使用此css_set
的进程连接起来。subsys
: 用于收集各种子系统
的统计信息结构。
进程描述符 task_struct
有两个字段与此相关,如下:
struct task_struct {
...
struct css_set *cgroups;
struct list_head cg_list;
...
}
可以看出,task_struct
结构的 cgroups
字段就是指向 css_set
结构的指针,而 cg_list
字段用于连接所有使用此 css_set
结构的进程列表。
task_struct
结构与 css_set
结构的关系如下图:
cgroup_subsys
结构
CGroup
通过 cgroup_subsys
结构操作各个 子系统
,每个 子系统
都要实现一个这样的结构,其定义如下:
struct cgroup_subsys {
struct cgroup_subsys_state *(*create)(struct cgroup_subsys *ss,
struct cgroup *cgrp);
void (*pre_destroy)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp);
void (*destroy)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp);
int (*can_attach)(struct cgroup_subsys *ss,
struct cgroup *cgrp, struct task_struct *tsk);
void (*attach)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp,
struct cgroup *old_cgrp, struct task_struct *tsk);
void (*fork)(struct cgroup_subsys *ss, struct task_struct *task);
void (*exit)(struct cgroup_subsys *ss, struct task_struct *task);
int (*populate)(struct cgroup_subsys *ss,
struct cgroup *cgrp);
void (*post_clone)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp);
void (*bind)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *root);
int subsys_id;
int active;
int disabled;
int early_init;
const char *name;
struct cgroupfs_root *root;
struct list_head sibling;
void *private;
};
cgroup_subsys
结构包含了很多函数指针,通过这些函数指针,CGroup
可以对 子系统
进行一些操作。比如向 CGroup
的 tasks
文件添加要控制的进程PID时,就会调用 cgroup_subsys
结构的 attach()
函数。当在 层级
中创建新目录时,就会调用 create()
函数创建一个 子系统
的资源控制统计信息对象 cgroup_subsys_state
,并且调用 populate()
函数创建 子系统
相关的资源控制信息文件。
除了函数指针外,cgroup_subsys
结构还包含了很多字段,下面说明一下各个字段的作用:
subsys_id
: 表示了子系统的ID。active
: 表示子系统是否被激活。disabled
: 子系统是否被禁止。name
: 子系统名称。root
: 被附加到的层级挂载点。sibling
: 用于连接被附加到同一个层级的所有子系统。private
: 私有数据。
内存子系统
定义了一个名为 mem_cgroup_subsys
的 cgroup_subsys
结构,如下:
struct cgroup_subsys mem_cgroup_subsys = {
.name = "memory",
.subsys_id = mem_cgroup_subsys_id,
.create = mem_cgroup_create,
.pre_destroy = mem_cgroup_pre_destroy,
.destroy = mem_cgroup_destroy,
.populate = mem_cgroup_populate,
.attach = mem_cgroup_move_task,
.early_init = 0,
};
另外 Linux 内核还定义了一个 cgroup_subsys
结构的数组 subsys
,用于保存所有 子系统
的 cgroup_subsys
结构,如下:
static struct cgroup_subsys *subsys[] = {
cpuset_subsys,
debug_subsys,
ns_subsys,
cpu_cgroup_subsys,
cpuacct_subsys,
mem_cgroup_subsys
};
CGroup
的挂载
前面介绍了 CGroup
相关的几个结构体,接下来我们分析一下 CGroup
的实现。
要使用 CGroup
功能首先必须先进行挂载操作,比如使用下面命令挂载一个 CGroup
:
$ mount -t cgroup -o memory memory /sys/fs/cgroup/memory
在上面的命令中,-t
参数指定了要挂载的文件系统类型为 cgroup
,而 -o
参数表示要附加到此 层级
的子系统,上面表示附加了 内存子系统
,当然可以附加多个 子系统
。而紧随 -o
参数后的 memory
指定了此 CGroup
的名字,最后一个参数表示要挂载的目录路径。
挂载过程最终会调用内核函数 cgroup_get_sb()
完成,由于 cgroup_get_sb()
函数比较长,所以我们只分析重要部分:
static int cgroup_get_sb(struct file_system_type *fs_type,
int flags, const char *unused_dev_name,
void *data, struct vfsmount *mnt)
{
...
struct cgroupfs_root *root;
...
root = kzalloc(sizeof(*root), GFP_KERNEL);
...
ret = rebind_subsystems(root, root->subsys_bits);
...
struct cgroup *cgrp = &root->top_cgroup;
cgroup_populate_dir(cgrp);
...
}
cgroup_get_sb()
函数会调用 kzalloc()
函数创建一个 cgroupfs_root
结构。cgroupfs_root
结构主要用于描述这个挂载点的信息,其定义如下:
struct cgroupfs_root {
struct super_block *sb;
unsigned long subsys_bits;
unsigned long actual_subsys_bits;
struct list_head subsys_list;
struct cgroup top_cgroup;
int number_of_cgroups;
struct list_head root_list;
unsigned long flags;
char release_agent_path[PATH_MAX];
};
下面介绍一下 cgroupfs_root
结构的各个字段含义:
sb
: 挂载的文件系统超级块。subsys_bits/actual_subsys_bits
: 附加到此层级的子系统标志。subsys_list
: 附加到此层级的子系统(cgroup_subsys)列表。top_cgroup
: 此层级的根cgroup。number_of_cgroups
: 层级中有多少个cgroup。root_list
: 连接系统中所有的cgroupfs_root。flags
: 标志位。
其中最重要的是 subsys_list
和 top_cgroup
字段,subsys_list
表示了附加到此 层级
的所有 子系统
,而 top_cgroup
表示此 层级
的根 cgroup
。
接着调用 rebind_subsystems()
函数把挂载时指定要附加的 子系统
添加到 cgroupfs_root
结构的 subsys_list
链表中,并且为根 cgroup
的 subsys
字段设置各个 子系统
的资源控制统计信息对象,最后调用 cgroup_populate_dir()
函数向挂载目录创建 cgroup
的管理文件(如 tasks
文件)和各个 子系统
的管理文件(如 memory.limit_in_bytes
文件)。
向 CGroup
添加要进行资源控制的进程
通过向 CGroup
的 tasks
文件写入要进行资源控制的进程PID,即可以对进程进行资源控制。例如下面命令:
$ echo 123012 > /sys/fs/cgroup/memory/test/tasks
向 tasks
文件写入进程PID是通过 attach_task_by_pid()
函数实现的,代码如下:
static int attach_task_by_pid(struct cgroup *cgrp, char *pidbuf)
{
pid_t pid;
struct task_struct *tsk;
int ret;
if (sscanf(pidbuf, "%d", &pid) != 1) // 读取进程pid
return -EIO;
if (pid) { // 如果有指定进程pid
...
tsk = find_task_by_vpid(pid); // 通过pid查找对应进程的进程描述符
if (!tsk || tsk->flags & PF_EXITING) {
rcu_read_unlock();
return -ESRCH;
}
...
} else {
tsk = current; // 如果没有指定进程pid, 就使用当前进程
...
}
ret = cgroup_attach_task(cgrp, tsk); // 调用 cgroup_attach_task() 把进程添加到cgroup中
...
return ret;
}
attach_task_by_pid()
函数首先会判断是否指定了进程pid,如果指定了就通过进程pid查找到进程描述符,如果没指定就使用当前进程,然后通过调用 cgroup_attach_task()
函数把进程添加到 cgroup
中。
我们接着看看 cgroup_attach_task()
函数的实现:
int cgroup_attach_task(struct cgroup *cgrp, struct task_struct *tsk)
{
int retval = 0;
struct cgroup_subsys *ss;
struct cgroup *oldcgrp;
struct css_set *cg = tsk->cgroups;
struct css_set *newcg;
struct cgroupfs_root *root = cgrp->root;
...
newcg = find_css_set(cg, cgrp); // 根据新的cgroup查找css_set对象
...
rcu_assign_pointer(tsk->cgroups, newcg); // 把进程的cgroups字段设置为新的css_set对象
...
// 把进程添加到css_set对象的tasks列表中
write_lock(&css_set_lock);
if (!list_empty(&tsk->cg_list)) {
list_del(&tsk->cg_list);
list_add(&tsk->cg_list, &newcg->tasks);
}
write_unlock(&css_set_lock);
// 调用各个子系统的attach函数
for_each_subsys(root, ss) {
if (ss->attach)
ss->attach(ss, cgrp, oldcgrp, tsk);
}
...
return 0;
}
cgroup_attach_task()
函数首先会调用 find_css_set()
函数查找或者创建一个 css_set
对象。前面说过 css_set
对象用于收集不同 cgroup
上附加的 子系统
资源统计信息对象。
因为一个进程能够被加入到不同的 cgroup
进行资源控制,所以 find_css_set()
函数就是收集进程所在的所有 cgroup
上附加的 子系统
资源统计信息对象,并返回一个 css_set
对象。接着把进程描述符的 cgroups
字段设置为这个 css_set
对象,并且把进程添加到这个 css_set
对象的 tasks
链表中。
最后,cgroup_attach_task()
函数会调用附加在 层级
上的所有 子系统
的 attach()
函数对新增进程进行一些其他的操作(这些操作由各自 子系统
去实现)。
限制 CGroup
的资源使用
本文主要是使用 内存子系统
作为例子,所以这里分析内存限制的原理。
可以向 cgroup
的 memory.limit_in_bytes
文件写入要限制使用的内存大小(单位为字节),如下面命令限制了这个 cgroup
只能使用 1MB 的内存:
$ echo 1048576 > /sys/fs/cgroup/memory/test/memory.limit_in_bytes
向 memory.limit_in_bytes
写入数据主要通过 mem_cgroup_write()
函数实现的,其实现如下:
static ssize_t mem_cgroup_write(struct cgroup *cont, struct cftype *cft,
struct file *file, const char __user *userbuf,
size_t nbytes, loff_t *ppos)
{
return res_counter_write(&mem_cgroup_from_cont(cont)->res,
cft->private, userbuf, nbytes, ppos,
mem_cgroup_write_strategy);
}
其主要工作就是把 内存子系统
的资源控制对象 mem_cgroup
的 res.limit
字段设置为指定的数值。
限制进程使用资源
当设置好 cgroup
的资源使用限制信息,并且把进程添加到这个 cgroup
的 tasks
列表后,进程的资源使用就会受到这个 cgroup
的限制。这里使用 内存子系统
作为例子,来分析一下内核是怎么通过 cgroup
来限制进程对资源的使用的。
当进程要使用内存时,会调用 do_anonymous_page()
来申请一些内存页,而 do_anonymous_page()
函数会调用 mem_cgroup_charge()
函数来检测进程是否超过了 cgroup
设置的资源限制。而 mem_cgroup_charge()
最终会调用 mem_cgroup_charge_common()
函数进行检测,mem_cgroup_charge_common()
函数实现如下:
static int mem_cgroup_charge_common(struct page *page, struct mm_struct *mm,
gfp_t gfp_mask, enum charge_type ctype)
{
struct mem_cgroup *mem;
...
mem = rcu_dereference(mm->mem_cgroup); // 获取进程对应的内存限制对象
...
while (res_counter_charge(&mem->res, PAGE_SIZE)) { // 判断进程使用内存是否超出限制
if (!(gfp_mask & __GFP_WAIT))
goto out;
if (try_to_free_mem_cgroup_pages(mem, gfp_mask)) // 如果超出限制, 就释放一些不用的内存
continue;
if (res_counter_check_under_limit(&mem->res))
continue;
if (!nr_retries--) {
mem_cgroup_out_of_memory(mem, gfp_mask); // 如果尝试过5次后还是超出限制, 那么发出oom信号
goto out;
}
...
}
...
}
mem_cgroup_charge_common()
函数会对进程内存使用情况进行检测,如果进程已经超过了 cgroup
设置的限制,那么就会尝试进行释放一些不用的内存,如果还是超过限制,那么就会发出 OOM (out of memory)
的信号。